Elektrophysiologische Untersuchungen zur glutamatergen und GABAergen Informationsübertragung an neocorticalen Pyramidenneuronen mit Hilfe Infrarot-gelenkter Photostimulation

In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Fragestellungen untersucht: (1) Kann durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten von Pyramidenneuronen ein LTP ("long-term potentiation")- und/oder LTD ("long-term depression")-ähnlicher Effekt induziert werden? (2) Wie groß ist gegebenenfalls die räumliche Spezifität dieses Effektes? (3) Ist synaptisch induzierte LTD mit einer Reduktion der postsynaptischen Glutamatsensitivität assoziiert? (4) Wie sind GABAA- und GABAB-Rezeptoren relativ zueinander auf der Membran des apikalen Dendriten verteilt? Die Experimente wurden an Lamina V Pyramidenneuronen in Hirnschnitten des somatosensorischen Neocortex der Ratte durchgeführt. Für die gezielte Stimulation mit Neurotransmittern wurden die Neurone mit der Infrarotvideomikroskopie visualisiert und ihre elektrische Aktivität mit "Patch"-Pipetten abgeleitet. Die Applikation des Neurotransmitters (Glutamat, GABA) erfolgte durch die photolytische Freisetzung desselben aus einer durch Veresterung inaktivierten ("caged") Verbindung (Infrarot-gelenkte Photostimulation). Im ersten Teil der Dissertation konnte gezeigt werden, daß durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten eine Reduktion der Glutamatantwort-Amplitude (Photostimulations-LTD) ausgelöst werden kann. Diese Form von Langzeitplastizität wird rein postsynaptisch exprimiert, ist mit einer Abnahme der dendritischen Glutamatsensitivität assoziiert und besitzt die selben Eigenschaften sowie Induktions- und Expressionsmechanismen wie synaptische LTD. Dies deutet stark darauf hin, daß auch die Expression synaptischer LTD im Neocortex rein postsynaptisch erfolgt. Die hohe räumliche Auflösung der Infrarot-gelenkten Photostimulation ermöglichte es weiterhin die räumliche Spezifität der Photostimulations-LTD zu untersuchen. Sie betrug mindestens 10 µm. Dies weist darauf hin, daß eine Feinabstimmung der Transmissionsstärke in Abhängigkeit von der synaptischen Aktivität auf der Ebene einzelner Synapsen stattfindet. Da LTP und LTD die prominentesten zellulären Modellvorstellungen von Lernvorgängen sind, würde sich ein derart hochspezifischer Mechanismus für eine "high-density" Speicherung von Information gut eignen. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die differentielle Verteilung von funktionellen GABAA- und GABAB-Rezeptoren entlang des apikalen Dendriten untersucht. Hierzu wurden die Neurone am Soma abgeleitet und GABA (Gamma-Aminobuttersäure) schrittweise in Richtung des distalen Dendriten appliziert. Bei dieser Kartierung der GABA-Sensitivität zeigten sowohl die Amplituden der GABAA- als auch die der GABAB-Antworten einen statistisch identischen, linearen Abfall in Richtung des distalen Dendriten. Dieser Befund deutet unter Berücksichtigung der Kabel-Theorie darauf hin, daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Die Kabel-Theorie besagt, daß die schnellen GABAA-Antworten elektrotonisch stärker in der Amplitude abgeschwächt werden, als die langsamen GABAB-Antworten. Diese unterschiedlich starke elektrotonische Beeinflussung der GABAA- und GABAB-Antworten konnte durch numerische Simulationen quantifiziert werden. Weiterhin wurde eine Art inverses Experiment durchgeführt. Hierzu wurden die Neurone am apikalen Dendriten abgeleitet und GABA schrittweise in Richtung des Somas appliziert. Die Ergebnisse dieser Kartierung wurden mit theoretischen Voraussagen verglichen, die auf den Ergebnissen der somatischen Ableitungen und den numerischen Simulationen der elektrotonischen Amplitudenabschwächung basierten. Es zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Dies bestätigt, daß die numerischen Simulationen korrekt durchgeführt wurden und daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Der bei den somatischen Ableitungen beobachtete statistisch identische Abfall der Amplituden der GABAA- und GABAB-Antworten zeigt, daß das Soma von jedem dendritischen Stimulationsort die GABAA- und GABAB-Antworten im selben Amplitudenverhältnis empfängt. Das in Richtung des distalen Dendriten kontinuierlich zunehmende relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren scheint demnach Unterschiede in der elektrotonischen Amplitudenabschwächung zwischen GABAA- und GABAB-Antworten zu kompensieren. Dies weist stark darauf hin, daß die differentielle Verteilung von ligandengesteuerten Ionenkanälen ein grundlegender Mechanismus bei Neuronen ist, um den passiven Kabeleigenschaften entgegenzuwirken. In this thesis the information transfer with glutamate and GABA was investigated on neo-cortical pyramidal neurons using controlled photostimulation .